JP5936297B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和システムに用いられる熱交換器に関する。

家庭用の空気調和システムのように、冷房と暖房を冷凍サイクルにより行う場合においては、一つの熱交換器を、冷房運転時と暖房運転時とで、凝縮器として用いたり蒸発器として用いることになる。
そして、室外機の熱交換器は、暖房運転を行った場合、蒸発器として機能する。寒冷時に暖房運転を行った場合、蒸発器は、例えば氷点下５℃程度まで温度が低下するため、空気中の水分が蒸発器に着霜する現象が発生する。通常、着霜は熱交換器の風上側から起こり、次第に成長して空気の流通路を閉塞することになる。すると、付着した霜を除去するために除霜運転を行わなければならない。除霜運転中は暖房運転を行えないため、その結果、暖房効率が低下してしまう。

ところで、自動車用空気調和システム（いわゆるカー・エア・コンディショナー）用の熱交換器は、非常に高性能かつコンパクトなため、これを家庭用の空気調和システムに転用することが考えられる。しかし、その場合、自動車用空気調和システムの熱交換器は、そのコンパクト性がゆえ、チューブ、フィンのピッチが小さく、着霜すると、互いに隣接するチューブ間、フィン間が塞がりやすい。その結果、除霜運転を頻繁に行わなければならず、暖房効率の低下の影響が大きくなる。これは、自動車用空気調和システムにおいては、暖房にはエンジン冷却水の熱を利用するため、自動車用空気調和システム用の熱交換器は、低温の空気と熱交換する蒸発器としての機能を想定していないためである。

そこで、扁平チューブの風上側における冷媒流路を閉塞したり、扁平チューブの端部に切欠きを形成したり、冷媒流路の断面積を大きくすることで、扁平チューブの風上側と風下側とで熱交換能力に差を設け、熱交換器の風上側で着霜しにくくする技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。

また、互いに隣接する扁平チューブ間に設けられたフィンにおいて、風下側にのみルーバを形成し、風上側にはルーバを形成しない構成としたり、フィンを風上側に突出させることで、風上側と風下側とで熱交換能力に差を設け、熱交換器の風上側で着霜しにくくする技術も提案されている（例えば、特許文献３〜５参照。）。

特許第３７３８４０４号公報 特開２００５−１２７５９７公報 特許第３９４２２１０号公報 特開平６−１４７７８５公報 特許第３０６８７６１号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載された技術においては、扁平チューブの風上側における冷媒流路を閉塞したり、扁平チューブの端部に切欠き加工を行うのに高い加工精度が要求され、また、切欠き加工時等に端材が出るため、その処理に手間がかかり、高コストにつながるという問題がある。
また、特許文献２に記載された技術においては、チューブ内に形成された冷媒の流路の断面積が小さいために、流路を流れる冷媒の圧力損失が大きく、各流路に流れる冷媒流量は流路断面積の影響を大きく受けることになる。このため、風上側の流路断面積を大きくすると、風下側に対して風上側を流れる冷媒流量が相対的に増えることになり、風上側の熱交換能力はそれほど低下せず、意図したような着霜防止効果が得られない可能性がある。

特許文献３〜５に記載された技術においては、ルーバを形成していない部分においては、除霜運転をしたときに、融けた水がフィン上に残って排水されないという問題がある。すると、除霜運転後に暖房運転を再開すると、フィン上に残った水が凍結して再び着霜しやすくなってしまう。これは、フィンを風上側に突出させた場合も同様である。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、低コストで、着霜を抑制するとともに、除霜運転をしたときに融けた水の排水を確実に行うことのできる熱交換器を提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明の熱交換器は、複数本が互いに平行に設けられ、それぞれ冷媒が内部を流れる冷媒流路を有したチューブと、互いに隣接するチューブ間に設けられ、チューブに熱交換可能に接するフィンと、複数本のチューブの一端側と他端側にそれぞれ設けられ、チューブを流れる冷媒の流路を備えるタンクと、を備えた熱交換器であって、チューブからフィンへの熱伝導を抑制する熱伝導抑制部が、フィンとチューブとが突き合わされる部分の近傍で、かつ、冷媒と熱交換がなされる流体の流れ方向上流側に形成され、熱伝導抑制部として、フィンにおいて、流れ方向に沿って延びるスリットが形成され、スリットは、排水性を有する開口であり、互いに隣接するチューブ間における両側にのみ位置し、チューブ間における両側に位置するスリットのいずれも、互いに隣接するチューブの中間部側の一辺を残し、残る三辺を切り欠き、チューブに近接する側の一辺を下方に突出させるようフィンを折り曲げることで形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、フィンとチューブとが突き合わされる部分における流体の流れ方向上流側における流体の流れ方向上流側に、熱伝導抑制部を形成することで、流体の流れ方向下流側に対し、上流側におけるチューブからフィンへの熱伝導を抑えることができる。

本発明におけるスリットは、開口を形成すれば良いが、互いに隣接するチューブの中間部側の一辺を残し、残る三辺を切り欠き、チューブに近接する側の一辺を下方に突出させるようフィンを折り曲げることで形成されている。このようにすることで、スリットを形成するために端材が発生することもなく、排水性を高めることもできる。
また、フィンとチューブとが、熱交換器において冷媒と熱交換がなされる流体の流れ方向下流側で接合され、熱伝導抑制部として、フィンとチューブが、流体の流れ方向上流側で非接合となる部分を有する構成とすることもできる。すなわち、流れ方向上流側において、フィンとチューブをロウ付けや溶接をしない部分を有する。例えば、チューブにおいて、流体の流れ方向上流側に凹部が形成され、この凹部は、フィンがチューブに突き合わされる位置に設けられている構成とすることもできる。
このようなフィンのスリットや凹部を形成することで、フィンの流体の流れ方向上流側にルーバが形成されていなくても、除霜運転時に融けた水が、スリットやチューブの凹部を通って下方へ排水される。
このような熱伝導抑制部は、フィンやチューブの製造加工時に形成でき、特に高い精度が要求されることもなく、低コストで形成することができる。

このような熱伝導抑制部を備えた熱交換器において、以下のようなチューブを組み合わせることも有効である。
すなわち、チューブは冷媒が内部を流れる冷媒流路を複数有し、チューブに凹部が形成され、この凹部により、流体の流れ方向上流側に位置する冷媒流路の断面積が狭められているものを用いることができる。
凹部は、チューブのタンクへの接合部分近傍に設けても良いが、冷媒流路に沿って間隔を空けて複数形成することもできる。凹部は、フィンがチューブに突き合わされる位置に設けるのが好ましい。この場合、複数の凹部のピッチは、フィンピッチの略整数倍とするのが好ましい。この場合、凹部がフィンとチューブとの間に位置することで、当該凹部がフィンの一面側から他面側に連通する排水口として機能する。

本発明によれば、流体の流れ方向に沿って延びる熱伝導抑制部を形成することで、流体の流れ方向下流側に対し、上流側におけるチューブからフィンへの熱伝導を抑えることができる。このようにして、室外機の熱交換器が暖房運転時に蒸発器として機能する場合に、フィンの流体の流れ方向上流側部分の温度の低下を抑え、着霜を抑制できる。
また、除霜運転時においては、熱伝導抑制部としてのスリットや凹部等により、霜を融かした水を下方に排水することが可能となり、排水性にも優れ、フィン上に残存した水が再着霜するのを防止できる。
このような熱伝導抑制部は、フィンやチューブの製造加工時に形成でき、特に高い精度が要求されることもなく、低コストで形成することができる。

本実施の形態における熱交換器の外観を示す斜視図である。 第一の実施形態におけるフィンを示す斜視図である。 図２の熱交換器の正面図である。 第二の実施形態におけるフィンとチューブとの接合部分の構成を示す平面図である。 第三の実施形態におけるフィンとチューブとの接合部分の構成を示す平面図である。 チューブに凹部を形成した例を示す斜視図である。 凹部の変形例を示す斜視図である。 凹部によりチューブの流路を押しつぶした例を示す平面図である。 チューブにおいて、風上側の流路の一部を押しつぶす例を示す斜視図である。 チューブにおいて、風上側の流路の一部を押しつぶす他の例を示す斜視図である。 チューブにおいて、風上側の流路の断面積を小さくした場合の例を示す斜視図である。 チューブにおいて、風上側に流路を設けず、その厚さを小さくした場合の例を示す斜視図および平面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第一の実施形態］
図１は、本実施の形態における熱交換器１０の全体構成を示す斜視図である。
図１に示すように、熱交換器１０は、冷媒が流通する複数のチューブ２１及び複数のフィン２２を交互に積層してなるコア２０と、チューブ２１の端末が接続される一対のタンク３０と、を備え、コア２０に伝わる熱によって冷媒の熱交換を行うものである。

チューブ２１は、銅又は銅合金、あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、押出し成形又は板状素材をロール成形して作製された中空部を有する矩形扁平断面の部材である。

フィン２２は、チューブ２１と同様の材料から構成され、本実施形態ではコルゲートタイプのフィンを用いているが、これに限らず、プレートタイプのフィンを用いることができる。

コア２０は、以上のチューブ２１とフィン２２とが、熱交換器１０の長手方向（図中、Ｘ方向）に交互に積層して配置され、その両端はサイドプレート２３で封止される。サイドプレート２３は、コア２０の補強部材として機能し、その端部はタンク３０に支持されている。

さて、図２に示すように、上記のような熱交換器１０においては、チューブ２１からフィン２２への熱伝導を抑制する熱伝導抑制部４０が形成されている。
本実施形態において、熱伝導抑制部４０として、フィン２２の表面において風上側に、スリット４１、４１が形成されている。各スリット４１は、フィン２２において、チューブ２１の近傍に、チューブ２１の表面に沿った方向（熱交換器１０において冷媒と熱交換を行う周囲雰囲気の熱交換器１０に対する流れ方向：図中Ｙ方向）に連続して形成されている。
各スリット４１は、フィン２２をその厚さ方向に貫通して形成されている。ここで、各スリット４１は、互いに隣接するチューブ２１、２１の中間部側の一辺４１ａを残し、残る三辺４１ｂ、４１ｃ、４１ｄを切り欠き、図３に示すように、そのチューブ２１に近接する側の辺４１ｃが下方に突出するよう一辺４１ａに沿って折り曲げることで形成することもできる。これにより、スリット４１を通して水が下方に落下しやすくなる。

また、フィン２２の風下側には、両側のチューブ２１を結ぶ方向（Ｘ方向）に連続するルーバ３８が、熱交換器１０の厚さ方向に間隔を隔てて複数形成されている。

上述したようにして、フィン２２の風上側に、チューブ２１の表面に沿った方向に連続するスリット４１、４１を形成するようにした。これにより、フィン２２においてスリット４１、４１の間の中央部Ａへのチューブ２１からの熱伝導を抑制することができる。このとき、スリット４１，４１は、チューブ２１の表面に沿った方向に連続するため、チューブ２１からフィン２２の中央部Ａへの熱伝導は、スリット４１の両端部４１ｅ、４１ｅを回り込まなければならず、スリット４１が形成されている広い範囲で抑制できる。
このようにして、フィン２２の風上側でチューブ２１からの熱伝導を抑制することで、フィン２２の風上側の温度の低下を抑え、着霜を抑制できる。
また、除霜運転時においては、スリット４１を通して、霜を融かした水を下方に排水することが可能となり、排水性にも優れ、フィン２２上に残存した水が再着霜するのを防止できる。

なお、上記第一の実施形態において、スリット４１、４１間に、スリット４１に直交する方向に延びるルーバ３９を一本以上形成しても良い。

［第二の実施形態］
次に、熱伝導抑制部４０の他の例を示す。熱伝導抑制部４０以外の熱交換器１０の構成は上記第一の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
図４に示すように、本実施形態における熱伝導抑制部４０として、熱交換器１０の風上側において、チューブ２１とフィン２２とが、ロウ付けのなされていない非ロウ付け部５０が形成されている。
これには、熱交換器１０の組み立て工程において、チューブ２１において、風上側から一定寸法の位置よりも風下側の範囲Ｂにロウ材を塗布して、ロウ付け処理を行う。
これにより、風上側の非ロウ付け部５０においてはチューブ２１とフィン２２とが接合されておらず、チューブ２１からフィン２２への熱伝導効率が、風下側よりも低くなる。その結果、フィン２２の風上側でチューブ２１からの熱伝導を抑制することで、フィン２２の風上側の温度の低下を抑え、着霜を抑制できる。

［第三の実施形態］
次に、熱伝導抑制部４０のさらに他の例を示す。熱伝導抑制部４０以外の熱交換器１０の構成は上記第一の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
図５に示すように、本実施形態における熱伝導抑制部４０として、熱交換器１０の風上側に、チューブ２１の風上側端部２１ａの外周面（流れ方向上流側の外周面）を覆う熱伝導率の低い材料のコーティング層６０が形成されている。このコーティング層６０は、チューブ２１とフィン２２とがロウ付け時に接合されるのを防止でき、かつ、耐熱性を有した材料で形成するのが好ましい。
このようなコーティング層６０としては、例えばセラミックス材料によるものが好適である。

このようなコーティング層６０が設けられた部分においては、コーティング層６０により熱伝導が抑制され、さらに、チューブ２１とフィン２２とが接合されていないので、チューブ２１からフィン２２への熱伝導効率が、風下側よりも低くなる。その結果、フィン２２の風上側でチューブ２１からの熱伝導を抑制することで、フィン２２の風上側の温度の低下を抑え、着霜を抑制できる。

なお、上記第一の実施形態で示した構成と、第二または第三の実施形態で示した構成とは適宜組み合わせることが可能である。

さて、上記第一〜第三の実施形態で示した構成には、以下に示すような構成を有するチューブ２１を適宜組み合わせることが可能である。
図６に示すチューブ２１は、風上側端部２１ａ側に、凹部７０が形成されている。
このような凹部７０は、チューブ２１が連続する方向に沿って間隔をあけて複数形成することができる。このとき、凹部７０の間隔は、フィン２２のピッチの整数倍とするのが好ましい。そして、凹部７０は、フィン２２がチューブ２１に突き合わされる部分に設けるようにする。
このような凹部７０は、チューブ２１を引き抜き材で形成する場合には、引き抜き加工後に凹部７０を追加工すれば良い。また、チューブ２１を、板金の曲げ加工により形成する場合には、曲げ加工前の板の状態で凹部７０を形成し、その板を曲げ加工することでチューブ２１を得ても良い。

これらの凹部７０を形成することで、チューブ２１とフィン２２との間に凹部７０が介在してチューブ２１とフィン２２との間に非接合部が存在することになるので、フィン２２の風上側でチューブ２１からの熱伝導を抑制することができる。これにより、フィン２２の風上側の温度低下を抑え、着霜を抑制できる。
また、付着した霜を融かすために除霜運転をした場合、融けた水は、チューブ２１とフィン２２との間の凹部７０を通って下方に流れることができ、排水性も改善される。
さらに、このような凹部７０は、加工時に高い精度が要求されることもなく、またプレス加工により形成されるため、切り欠き加工による端材も生じず、低コストで形成できる。

また、図７に示すように、凹部７０は、チューブ２１の風上側端部２１ａから連続して押しつぶすことで形成することも可能である。このような構成とすると、除霜運転時に融けた水は、チューブ２１の風上側端部２１ａを伝って下方に流すことができ、排水性を高めることができる。

なお、凹部７０は、チューブ２１における冷媒の流れ方向に沿って延びるように形成し、チューブ２１とフィン２２の複数の接触箇所に跨って設けることもできる。また、凹部７０は、チューブ２１とフィン２２の接触箇所の全てに設ける必要は無い。

また、凹部７０は、図８に示すように、チューブ２１の風上側に位置する流路２１ｒが形成されている部分の外周面に、流路２１ｒ内に突出するように形成しても良い。すると、この凹部７０によって流路２１ｒの断面積が狭められ、流路２１ｒ内を冷媒が流れにくくなる。
これにより、熱交換器１０の風上側の熱交換効率が低下するため、フィン２２の風上側の温度低下を抑え、着霜を抑制できる。

また、図９に示すように、チューブ２１の端部２１ｃがタンク３０に挿入される部分において、チューブ２１の風上側から流路２１ｒに対応した部分までを押しつぶすことで凹部７２を形成することも可能である。

図１０に示すように、チューブ２１の端部２１ｃがタンク３０に挿入される部分において、チューブ２１の風上側から流路２１ｒに直交する方向に向けて押しつぶすことで凹部７３を形成することも可能である。

これらの凹部７２、７３を形成することで、流路２１ｒ内を冷媒が流れにくくなり、熱交換器１０の風上側の熱交換効率が低下するため、フィン２２の風上側の温度低下を抑え、着霜を抑制できる。
また、凹部７３の場合、チューブ２１を押しつぶして凹部７３を形成すると、その形成時に、その周囲の部分７３ａが盛り上がる。この部分７３ａは、チューブ２１をタンク３０に形成された挿入孔に挿入するときにストッパとして機能させることができ、チューブ２１のタンク３０への挿入深さを規定することができる。
さらに、このような凹部７２、７３は、加工時に高い精度が要求されることもなく、また切除片等も生じないため、低コストで形成できる。

また、図１１に示すように、チューブ２１において、風上側の流路２１ｒを、風下側の流路２１ｕよりも断面積を狭くすることができる。
これにより、風上側の流路２１ｒにおいては冷媒が流れにくくなり、熱交換器１０の風上側の熱交換効率が低下するため、フィン２２の風上側の温度低下を抑え、着霜を抑制できる。

図１２に示すように、チューブ２１の風上側端部２１ａには冷媒の流路を形成せず、さらに、その厚さを薄くすることができる。例えば、図１２（ａ）の例では、チューブ２１の風上側端部２１ａにおいては、一方の側面に、チューブ２１が連続する方向に続く凹部７５を形成することができる。
また、図１２（ｂ）に示すように、チューブ２１の風上側端部２１ａに、チューブ２１が連続する方向に続くスリット７６を形成しても良い。

このようにして、チューブ２１の風上側端部２１ａには冷媒の流路を形成しない構成とすることで、熱交換器１０の風上側の温度低下を抑え、着霜を抑制できる。さらに、凹部７５やスリット７６を設けることで、チューブ２１の風上側端部２１ａにおける厚さを薄くし、冷媒の流路を形成しないにもかかわらず、チューブ２１の重量を抑えることができ、材料コストを低減できる。また、凹部７５の場合、チューブ２１とフィン２２との間に凹部７５の部分に隙間が形成されることになるため、この部分から除霜運転時に生じた水の排水性を高めることができる。

なお、上記実施の形態では、熱交換器１０の構成について説明したが、本願発明の主旨に関わる部分以外の構成については、適宜他の異なる構成とすることができる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０…熱交換器、２０…コア、２１…チューブ、２１ａ…風上側端部（流れ方向上流側の端部）、２１ｒ…流路、２２…フィン、２３…サイドプレート、３０…タンク、４０…熱伝導抑制部、４１…スリット、５０…非ロウ付け部、６０…コーティング層、７０、７２、７３…凹部

Claims (7)

1. 複数本が互いに平行に設けられ、それぞれ冷媒が内部を流れる冷媒流路を有したチューブと、
   互いに隣接する前記チューブ間に設けられ、前記チューブに熱交換可能に接するフィンと、
   複数本の前記チューブの一端側と他端側にそれぞれ設けられ、前記チューブを流れる前記冷媒の流路を備えるタンクと、を備えた熱交換器であって、
   前記チューブから前記フィンへの熱伝導を抑制する熱伝導抑制部が、前記フィンと前記チューブとが突き合わされる部分の近傍で、かつ、前記冷媒と熱交換がなされる流体の流れ方向上流側に形成され、
   前記熱伝導抑制部として、前記フィンにおいて、前記流れ方向に沿って延びるスリットが形成され、
   前記スリットは、
   排水性を有する開口であり、
   互いに隣接する前記チューブ間における両側にのみ位置し、
   前記チューブ間における両側に位置する前記スリットのいずれも、互いに隣接する前記チューブの中間部側の一辺を残し、残る三辺を切り欠き、前記チューブに近接する側の一辺を下方に突出させるよう前記フィンを折り曲げることで形成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記フィンと前記チューブとが、前記熱交換器において前記冷媒と熱交換がなされる流体の流れ方向下流側で接合され、
   前記熱伝導抑制部として、前記フィンと前記チューブが、前記流体の流れ方向上流側で非接合となる部分を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記チューブにおいて、前記流体の流れ方向上流側に凹部が形成され、前記凹部は、前記フィンが前記チューブに突き合わされる位置に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記チューブは前記冷媒が内部を流れる前記冷媒流路を複数有し、前記チューブに凹部が形成され、前記凹部により、前記流体の流れ方向上流側に位置する前記冷媒流路の断面積が狭められていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記凹部は、前記冷媒流路に沿って間隔を空けて複数形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の熱交換器。
6. 前記凹部は、前記冷媒流路に沿って間隔を空けて複数形成され、そのピッチは、フィンピッチの略整数倍であることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記凹部が前記フィンと前記チューブとの間に位置することで、当該凹部が前記フィンの一面側から他面側に連通する排水口として機能することを特徴とする請求項３から６のいずれか一項に記載の熱交換器。

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